Измерение ускорения является ключевой задачей в высокоскоростных приложениях, поскольку на его основе определяются такие важные параметры, как скорость, действующие силы и давление. Основу любого акселерометра составляют чувствительные элементы (датчики), которые преобразуют механическое воздействие в измеримый сигнал. Современные технологические вызовы, особенно в областях, связанных с экстремальными вибрациями и ударными нагрузками, требуют создания датчиков, способных работать в расширенных диапазонах частот. Для решения этой задачи исследователи разработали и проанализировали новую конструкцию пьезорезистивного датчика. Результаты проведённого численного моделирования демонстрируют хорошее соответствие с экспериментальными данными, что открывает перспективы для создания устройств нового поколения с улучшенными частотными характеристиками.
Актуальность разработки высокочастотных акселерометров
Область применения акселерометров невероятно широка. В автомобильной промышленности они незаменимы для краш-тестов и анализа вибраций, обеспечивая данные для повышения пассивной безопасности. В потребительской электронике, например в смартфонах и планшетах, эти устройства отвечают за автоматический поворот экрана. Во всех случаях точность и диапазон работы прибора определяются характеристиками его внутренних чувствительных элементов.
Тесты безопасности автомобиля — одно из применений акселерометров.
Современные серийные акселерометры обычно эффективно работают в диапазоне до 10-20 кГц. Однако прогресс в машиностроении, аэрокосмической отрасли и фундаментальных исследованиях ставит задачу измерения ускорений на значительно более высоких частотах. Это требует принципиально новых подходов к проектированию чувствительных элементов.
Инновационный подход к проектированию
Для преодоления существующих ограничений совместная команда учёных из Института динамики быстропротекающих процессов Общества Фраунгофера (Институт Эрнста Маха, EMI) и Фрайбургского университета использовала возможности программного комплекса COMSOL Multiphysics®. Целью было создание и расчёт сенсорного модуля для измерения экстремальных ускорений (high-g). В основе разработки лежит усовершенствованный пьезорезистивный датчик, способный регистрировать кратковременные ускорения до 100 000 g. Его ключевой показатель эффективности — произведение чувствительности на резонансную частоту — оказался примерно на порядок выше, чем у лучших коммерчески доступных аналогов.
Принцип работы и моделирование в COMSOL Multiphysics®
Конструкция предложенного датчика включает три основных компонента: жёсткую раму, гибкую вибрирующую пластину и четыре пьезорезистивных элемента, соединённых по схеме моста Уитстона для измерения изменений сопротивления.
Схема предложенного датчика. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer, and S. Nau.
В среде COMSOL Multiphysics вся система была смоделирована как единое кремниевое МЭМС-устройство. Для обеспечения трёхосевых измерений три таких датчика размещены на одной керамической подложке, будучи ориентированными перпендикулярно друг другу (по осям X, Y и Z).
Работа сенсорного блока напоминает сложную систему масс и пружин. Под действием ускорения гибкая пластина изгибается, вызывая деформацию пьезорезистивных элементов. Эта деформация изменяет их электрическое сопротивление, что и фиксируется измерительной схемой.
Сенсорный блок в сборе. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.
Исследователи рассмотрели множество вариантов конструкции. Одна из проанализированных топологий, геометрия которой была импортирована в COMSOL через LiveLink™ for Inventor®, показана ниже. Цветовая схема помогает идентифицировать компоненты: корпус (белый), керамическая пластина (красный), датчики (серый), композитная заливка (оранжевый), клеевые слои (зелёный) и макет кабеля (синий).
Пример конструкции сенсорного блока с поднятой крышкой (a) и в развёрнутом виде (b). Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.
Для всестороннего анализа использовались два взаимодополняющих метода:
- Расчёт собственных частот системы для определения её резонансных характеристик.
- Гармонический анализ при приложении колебательного ускорения в диапазоне от 0 до 250 кГц для изучения рабочих режимов.
Первый метод выявил собственные частоты и формы колебаний, а второй позволил рассчитать механические напряжения и деформации, а на их основе — изменение сопротивления и выходной сигнал датчиков.
Ключевые результаты моделирования
Моделирование проводилось для конкретного набора параметров конструкции.
Анализ выходного сигнала датчика в широком частотном диапазоне (при ускорении 100 000 g и напряжении питания 1 В) показал следующее. При допустимой погрешности в 5% от номинальной чувствительности, эффективная полоса пропускания сенсорного блока составила около 47 кГц.
Выходной сигнал датчика на различных возбуждающих частотах. На графике слева показан весь частотный спектр, справа — крупный план частотного диапазона от 0 до 100 кГц. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.
На графике слева видно, что сигнал остаётся стабильным примерно до 130 кГц. Более детальный правый график, однако, показывает небольшие колебания и на более низких частотах.
Обратите внимание: Знакомьтесь – Turritopsis Nutricula, единственное бессмертное существо на нашей планете.
Расчёт собственных частот выявил несколько мод колебаний. Первая мода (крышки) на частоте 39 кГц практически не влияла на сигнал. Первая значимая мода (корпуса), оказывающая заметное воздействие, была обнаружена на 128 кГц.
Слева: Первая незначительная мода крышки в направлении оси z. Справа: Первая значимая мода корпуса в направлении оси y. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.
Наиболее важной оказалась мода на частоте 287 кГц, соответствующая колебаниям самих чувствительных элементов внутри корпуса. Именно она, как предположили исследователи, должна вносить основной вклад в изменение выходного сигнала. Для проверки этой гипотезы были проведены натурные эксперименты.
Основная мода колебаний чувствительных элементов внутри корпуса. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.
Экспериментальная верификация модели
Эксперимент проводился на прототипе с параметрами, незначительно отличающимися от расчётных по практическим соображениям. Дополнительное моделирование позволило предсказать ожидаемые диапазоны частот: предел в 5% (16-30 кГц), мода корпуса (67-98 кГц) и мода чувствительного элемента (129-200 кГц).
Для возбуждения колебаний использовался стеклянный молоточек, а сигнал регистрировался с частотой дискретизации 10 МГц.
Импульсный сигнал датчика в ответ на возбуждение. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.
Преобразование сигнала в частотную область выявило множество пиков. Наиболее выраженный пик на частоте 153 кГц прекрасно вписался в предсказанный диапазон для моды чувствительного элемента (129-200 кГц), что подтвердило теоретические расчёты о её доминирующем влиянии.
Слева: Импульсный ответ датчика в диапазоне частот от 0 до 2 МГц. Справа: Импульсный ответ датчика в диапазоне частот от 0 до 350 кГц. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.
Для измерения чувствительности по осям использовался титановый стержень Гопкинсона, создававший ударную нагрузку в 8600 g.
Крепление для стержня Гопкинсона. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.
Измеренная чувствительность составила около 1.3 мкВ/В/g с ожидаемым разбросом до 30%. Наибольшее отклонение (около 23%) наблюдалось по оси X, в то время как по другим осям оно было существенно меньше. Все полученные значения уложились в прогнозируемый диапазон.
Измеренный выходной сигнал при приложенном ускорении 8600 g. Изображение из статьи, представленной на COMSOL Conference 2016 Munich, предоставлено R. Langkemper, R. Külls, J. Wilde, S. Schopferer и S. Nau.
Высокая степень соответствия экспериментальных данных результатам численного моделирования подтвердила не только корректность расчётных моделей, но и практическую работоспособность предложенной инновационной конструкции трёхосевого акселерометра для измерения больших ускорений.
Дальнейшее изучение темы
- Прочтите оригинальную статью с конференции пользователей COMSOL: Разработка и оптимизация высокоточного трёхосевого акселерометра для измерения больших ускорений.
- Ознакомьтесь с тем, как моделирование помогает рассчитывать и улучшать другие датчики и сенсоры: Моделирование МЭМС-датчика давления, работающего как органы чувств у пещерных рыб; Моделирование трёхмерного многослойного графенового биосенсора; Проектирование электромагнитных сенсоров на основе кольцевых резонаторов для мониторинга хронической болезни почек.
Autodesk, логотип Autodesk и Inventor являются зарегистрированными торговыми марками или торговыми марками компании Autodesk, Inc. и (или) ее дочерних компаний и (или) ее аффилированных компаний в США и (или) других странах.
#наука #физика #технологии #программы #численные методы #fem #comsol
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Численное моделирование чувствительных элементов акселерометра для измерения больших ускорений.